蔣 鵬 李 偉 賈 鑫 賈招弟

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

閥門廣泛應(yīng)用于石化、冶金、航空航天及電力等領(lǐng)域，在實(shí)際使用中，對(duì)閥門的密封性要求很高。一旦閥門出現(xiàn)內(nèi)漏，將引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此使用無損檢測(cè)方法及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)閥門的泄漏，對(duì)避免重大安全事故的發(fā)生和保證安全生產(chǎn)、節(jié)省維修費(fèi)用具有重要意義。

近年來聲發(fā)射技術(shù)廣泛應(yīng)用于閥門內(nèi)漏狀態(tài)檢測(cè)中[1，2]。聲發(fā)射是指材料或構(gòu)件內(nèi)部因應(yīng)力超過屈服極限而進(jìn)入不可逆的塑性變形階段或有裂紋形成和擴(kuò)展、斷裂時(shí)快速釋放出應(yīng)變能而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的現(xiàn)象[3,4]。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)作為一種完整性評(píng)價(jià)方法，適用于在線連續(xù)監(jiān)控檢測(cè)，其結(jié)果直觀、操作方便。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在閥門泄漏故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。

1 閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)小波分析方法

1.1小波與小波包分析理論

由于泄漏聲發(fā)射信號(hào)是一種非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，利用傅里葉變換分析無法解決時(shí)間和頻率分辨率的矛盾[5]，而小波分析作為一種新的時(shí)頻分析方法，它的多分辨率特點(diǎn)使其可以更加有效地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)域和頻域的分析。小波在信號(hào)分析中的應(yīng)用十分廣泛，可用于時(shí)頻分析、信號(hào)噪聲的分離、信號(hào)的識(shí)別與判別及求分形指數(shù)等。

小波變換的含義為：將某一稱為基本小波的函數(shù)ψ(t)做位移τ后，再在不同尺度a下與待分析信號(hào)x(t)做內(nèi)積：

其中，X(ω)、ψ(ω)分別為x(t)、ψ(t)的傅里葉變換。

小波ψ(t)經(jīng)過伸縮和平移后得到的一系列函數(shù)ψa，τ(t)稱為小波基函數(shù)。

小波變換的多分辨率分析在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，是目前聲發(fā)射信號(hào)處理中應(yīng)用最廣泛的方法之一[6]。小波包是小波分析的一種推廣，可對(duì)頻帶進(jìn)行多層次劃分，并得到任意子帶寬度的組合。因此可對(duì)小波分析未分析到的高頻信號(hào)進(jìn)行深層次的分解，以便提高時(shí)頻分辨率。筆者對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波包分析時(shí)所選的是Daubechies小波基。

1.2小波包分析參數(shù)設(shè)置

聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采樣率為1MS/s，可檢測(cè)信號(hào)頻帶范圍0～500kHz。采用db10小波基將閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行5層小波包分解，得到[5，0]、[5，1]、[5，2]、…、[5，32]共32個(gè)小波包。由于氣體介質(zhì)閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)頻率主要集中在0～200kHz，因此筆者選擇1～13節(jié)點(diǎn)(編號(hào)為P1～P13)重點(diǎn)分析，各節(jié)點(diǎn)頻率范圍見表1。

表1 各節(jié)點(diǎn)頻率范圍

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)所用的氣體介質(zhì)閥門泄漏故障模擬裝置與聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。氣體介質(zhì)閥門泄漏故障模擬裝置主要包括空氣壓縮機(jī)、被測(cè)閥門、壓力表、氣體流量計(jì)及氣體增壓機(jī)等。本實(shí)驗(yàn)采用PCI- 8型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)作為泄漏聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括R3α傳感器、2/4/6前置放大器、聲發(fā)射數(shù)字采集處理卡及分析軟件AEwin等。

圖1 閥門泄漏故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)與聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定如下：

通道 8通道

門檻值 35dB

前置放大器增益 40dB

采樣率 1MS/s

預(yù)觸發(fā)時(shí)間 256μs

波形采集 打開

傳感器類型 R3α型

傳感器數(shù)量 4

采集參數(shù) 時(shí)間、幅值、能量及撞擊等

實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行采集，根據(jù)環(huán)境噪聲的等級(jí)確定聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)門檻值，并在斷鉛模擬信號(hào)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定后開始檢測(cè)。由于在被檢閥門完全閉合時(shí)開啟空壓機(jī)聲發(fā)射系統(tǒng)未檢測(cè)到信號(hào)，因此安裝在法蘭上的傳感器所采集到的信號(hào)為閥門氣體內(nèi)漏所產(chǎn)生的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)由空壓機(jī)將進(jìn)口壓力p增至0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0MPa時(shí)，分別采集泄漏量Q為1、3、5、7、9、11、13、15L/min工況下的聲發(fā)射信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為實(shí)驗(yàn)所得閥門在進(jìn)口壓力0.2MPa、泄漏量5L/min時(shí)泄漏信號(hào)的時(shí)域波形圖和頻譜圖。經(jīng)分析，閥門在不同泄漏量與不同進(jìn)口壓力下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)各參數(shù)(如幅值、能量及頻率等)大小隨泄漏量和進(jìn)口壓力的不同而變化。該聲發(fā)射信號(hào)為連續(xù)型。信號(hào)經(jīng)過快速傅里葉變換后得到如圖2b所示的頻域波形圖，可看出閥門內(nèi)漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻率范圍主要集中在0～200kHz。

a. 波形圖

b. 頻譜圖

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)所采集的信號(hào)進(jìn)行參量分析，可以得到閥門在不同進(jìn)口壓力和泄漏量下的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)分布規(guī)律?，F(xiàn)以閥門在進(jìn)口壓力0.5MPa、泄漏量5L/min時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，經(jīng)處理后得到各特征參數(shù)與閥門的進(jìn)口壓力和泄漏量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知：在閥門泄漏量增大和進(jìn)口壓力增加的過程中，其聲源活性增強(qiáng)。聲發(fā)射信號(hào)的各個(gè)相關(guān)參數(shù)也以不同幅度相應(yīng)增加。能量在進(jìn)口壓力為0.2MPa時(shí)開始迅速增大，振鈴計(jì)數(shù)也有上升趨勢(shì)，但是相對(duì)比較緩慢，幅值隨進(jìn)口壓力和泄漏量的增加逐漸增大，RMS值隨進(jìn)口壓力的增加近似線性變化。由此可以看出聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與閥門進(jìn)口壓力、泄漏量的變化成正比。將0.5MPa進(jìn)口壓力時(shí)不同泄漏量下的聲發(fā)射信號(hào)RMS值按照lgRMS=blgQ+c進(jìn)行擬合，得到b=0.4034，c=0.5248，進(jìn)而建立閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)RMS值與泄漏率之間的函數(shù)，利用其函數(shù)關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)閥門內(nèi)漏狀態(tài)的定量分析，函數(shù)曲線如圖3d所示。

a. 能量、振鈴計(jì)數(shù)隨進(jìn)口壓力變化

b. 幅值隨進(jìn)口壓力(泄漏量)變化

c. RMS值隨泄漏率變化

d. RMS值與泄漏量的雙對(duì)數(shù)關(guān)系

為進(jìn)一步確定閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍，并最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效識(shí)別，將采集到工況下的聲發(fā)射信號(hào)按小波包進(jìn)行能譜分析。由圖4可知，泄漏量為5L/min時(shí)，閥門在進(jìn)口壓力為0.1～1.0MPa所產(chǎn)生的信號(hào)能量主要分布在P1～P5頻帶上，其頻率范圍為0.000～78.125kHz，在31.250～46.875kHz范圍內(nèi)能量比最高。從圖5可知，進(jìn)口壓力為0.5MPa時(shí)，閥門在泄漏量為1～15L/min產(chǎn)生的信號(hào)的能量主要分布在P1～P7頻帶上，其頻率范圍為0.000～109.375kHz，在15.625～31.250kHz范圍內(nèi)能量比最高。

圖4 閥門在泄漏量為5L/min時(shí)各工況下泄漏信號(hào)各頻率段的能量比

圖5 閥門在進(jìn)口壓力為0.5MPa時(shí)各工況下泄漏信號(hào)各頻率段的能量比

4 結(jié)論

4.1閥門內(nèi)漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻率范圍較寬且為連續(xù)型波形，該信號(hào)頻率范圍主要集中在0～200kHz。閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)RMS值與泄漏量之間存在著雙對(duì)數(shù)關(guān)系，在0.5MPa下為lgRMS=0.4034lgQ+0.5248。因此可根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用對(duì)數(shù)關(guān)系估算閥門泄漏量。

4.2閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)小波包分析結(jié)果表明閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)主要能量集中在P2、P3、P4頻帶，其頻率范圍為15.625～62.500kHz。此區(qū)間最高能量比在30%左右，該區(qū)間能量比之和約占總能量的70%。

[1] Kaewwaewnoi W，Pra- teepasen A，Kaewtrakulpong P.Investigation of Therelationship between Internal Fluid Leakage through Avalve and Acoustic Emission Generated from the Leakage[J].Measurement，2010，43(2)：274～282.

[2] 吳真光，劉波.應(yīng)用聲發(fā)射法定量檢測(cè)閥門內(nèi)漏的可行性研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，(34)：119～120.

[3] Ennaceur C，Laksimi A，Herve C，et al.Monitoring Crack Growth in Pressure Vessel Steel by the Acoustic Emission Technique and the Method of Potential Difference[J].International Journal of Pressure Ves- sels and Piping，2006，83(1)：197～ 204．

[4] 韓雙連，隋青美，姜明順.聲發(fā)射信號(hào)分析及其軟件實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2014，41(8)：930～934.

[5] 焦敬品，何存富，吳斌，等.管道聲發(fā)射泄漏檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].無損檢測(cè)，2003，25(10)：519～523.

[6] Velayudham A，Krishnamurthy R，Soundarapandian T.Acoustic Emission Based Drill Condition Monitoring during Drilling of Glass/Phenolic Polymeric Composite using Wavelet Packet Transform[J].Materials Science and Engineering A，2005，412：141～145.